立軸式水輪發電機組推力支撐方式的選擇

張 杰 英

（呼倫貝爾職業技術學院，呼倫貝爾 021000）

0 前言

推力軸承是立軸式水輪發電機組的關鍵部件之一，承擔著機組運行過程中產生的所有軸向推力負荷，并通過推力軸承支撐結構向周圍混凝土基礎傳遞。通常情況下，單機容量較小的機組因其推力負荷較小，可以選擇將推力軸承布置在機組頂部的上機架上，只需保證上機架具有足夠的剛度即可；而階式推力軸承主要應用在多級抽水蓄能機組上，由于相對較長的水輪機軸需要在尾水管直錐管下面位置布置一個下導軸承，使部分推力負荷直接傳遞到廠房較下部的混凝土上；對于高水頭和中低水頭段的混流式、軸流式水電機組而言，采用發電機下機架支撐推力軸承的布置方案是比較普遍的，且在機組運行穩定性方面獲得了業內的高度認可[1]。

本文主要針對中低水頭段的水輪發電機組，通過與由發電機下機架支撐推力軸承的布置方案進行綜合對比，進一步說明將推力軸承支架置于水輪機頂蓋或支持蓋上的布置方案為機組設計及廠房建設所帶來的優點和效益。

1 推力支撐方式

1.1 下機架支撐方式

混流式水電機組的推力軸承支撐方式通常采用的是下機架支撐，如圖1所示。這種方式是將推力軸承安裝在下機架上，轉動部分的重量G和水輪機運行過程中產生的軸向水推力Fa均通過下機架傳遞到混凝土基礎上，同時下機架還承受由徑向導軸承傳遞的徑向力FR。

對于低水頭的軸流式水電機組而言，早期的設計較傾向于采用推力軸承支架的支撐方式來傳遞軸向推力負荷，如上世紀80年代的葛洲壩電站[2]。但是，隨著水電技術的發展，越來越多的業主為了增大水車室的操作空間，使整體布局更加合理，往往要求采用下機架的支撐方式進行設計，具體布置如圖2所示。

1.2 推力軸承支架支撐方式

推力軸承支架主要布置在混流式水輪機的頂蓋上或軸流式水輪機的支持蓋上，推力軸承安裝在推力軸承支架頂部，如圖3和圖4所示。轉動部分重量G和軸向水推力Fa將通過推力軸承支架傳遞到水輪機頂蓋或支持蓋上，再由頂蓋向機坑周圍混凝土基礎傳遞。采用這種支撐方式的機組一般另設下導徑向支撐結構或采用上導、水導兩導支撐方式而不設下導支撐的設計方法。

2 推力支撐結構力學分析

無論是混流式還是軸流式水電機組，經選型和初步設計后，一般情況下，推力支撐結構所承擔的最大軸向推力負荷基本上可以得到確定。因此，從技術角度講，具體采用哪種推力支撐方式，需要對推力支撐結構進行系統的力學分析，并根據總體設計的合理性來評價結構的優缺點。

2.1 結構受力分析

立軸式水輪發電機組的軸向推力負荷1F主要由轉動部分的重量G和水輪機運行過程中產生的軸向水推力Fa構成，軸向推力負荷F可表示為

軸向推力負荷1F主要作用于推力支撐結構上，并由推力支撐結構向周圍混凝土基礎傳遞。

水輪機頂蓋或支持蓋作為導水機構的重要部件，其過流面將承受來自流道內的水壓力P產生的向上的作用力F2，F2可表示為

式(2)中S為過流面的面積。

F1和F2作為支撐部件的主要載荷，其大小直接影響到支撐部件的剛強度性能。因此，載荷的合理分配和支撐部件的優化設計等因素在一定程度上均能保證機組的運行穩定性。

圖 5為不同電站作用在支撐部件上的 F1和F2的對比圖。其中，凱恩吉和桐子林電站的推力支撐方式為下機架支撐，樂灘、葛洲壩、大復興和山圖迪斯電站的推力支撐方式為推力軸承支架置于頂蓋或支持蓋上方的形式。

圖5 不同電站支撐部件的受力情況

2.2 下機架的剛強度分析

下機架的設計主要就是為了支撐整個機組的軸向推力負荷。為了保證機組的穩定運行，下機架必須具有足夠的軸向剛度和徑向剛度。因此，下機架通常被設計為箱式結構，并通過對稱均布設計的支臂與基礎混凝土固結來傳遞載荷。圖6為某水電站下機架的有限元計算模型。計算結果表明，下機架的軸向變形除了與支臂數量、板厚配置有關外，對其軸向剛度影響最大的因素主要取決于下機架的設計高度，下機架高度與軸向變形的關系曲線如圖7所示。

由此可見，為了保證下機架的軸向變形在機組運行要求的范圍之內，合理控制下機架的軸向變形勢必會增加下機架的高度，從而導致整個軸系加長，并進一步增加廠房的設計高度。

圖6 下機架有限元計算模型

圖7 下機架高度對結構軸向剛度的影響

2.3 推力軸承支架支撐方式的聯合受力分析

推力軸承支架一般采用直錐型設計，通過法蘭與頂蓋或支持蓋連接，在設計時既要保證推力軸承支架本身的剛強度，還要考慮頂蓋或支持蓋的支撐剛度。因此，這種支撐方式需要對推力軸承支架、頂蓋、支持蓋及導流錐進行聯合受力分析[3]。圖8為某軸流式水電機組推力軸承支撐結構的有限元聯合受力計算模型，機組在正常運行工況下的計算結果如表1所示，表1中負號表示變形方向向下。

圖8 推力軸承支架支撐結構聯合計算模型

表1 推力軸承支架支撐結構計算結果

由表1可知，推力軸承支架支撐結構中各部件的應力水平是很低的，不是設計的主要矛盾。從變形情況來看，盡管推力軸承支架的總體軸向變形是最大的，變形量達到3.75mm，但是其中大部分的變形來自于頂蓋和支持蓋軸向變形量的累加，而其自身的變形僅為1.01mm，因此，提高頂蓋、支持蓋的軸向剛度才是設計考慮的重點。

3 推力軸承支架支撐方式的優點

3.1 降低軸向力

水輪機頂蓋和支持蓋是按照能夠抵抗過流面水壓力產生較小變形而設計的，如果變形過大將會影響導水機構的順利操作和主軸密封裝置的可靠性[4]。對于高水頭的混流式水輪機而言，在正常運行工況下，水推力大約占頂蓋過流面水壓力產生的向上總力的 10%，對于低水頭混流式和軸流式水輪機來說，這個比較值可能會達到 80%左右[5]。因此，當采用下機架支撐方式時，既要保證下機架的軸向支撐剛度，又要提高頂蓋和支持蓋的軸向剛度來抵御水壓力產生的變形，其后果是頂蓋和支持蓋的剛度要高于下機架的剛度。顯然，頂蓋和支持蓋完全可以支撐軸向推力負荷。

在選擇低水頭水輪機的推力支撐方式時，如果采用推力軸承支架支撐方式，考慮到轉動部分重量因素，總的軸向推力負荷往往要高于頂蓋、支持蓋及導流錐的過流面水壓力產生的向上的總力，由于兩種力的方向相反，可以形成相互抵消并達到降低總體軸向力的明顯效果，如圖9所示。

3.2 減小基礎負荷

無論是選擇哪種支撐方式，機組運行時產生的軸向力和徑向力均由支撐結構傳遞到混凝土基礎上。當采用下機架來支撐推力負荷時，混凝土基礎不僅受到水推力和轉動部分重量所形成的向下的力，還要承擔來自頂蓋、支持蓋及導流錐等過流面水壓力形成的向上的作用力，從設計上增加了混凝土基礎的負擔。如果采用推力軸承支架的支撐方式，混凝土基礎上的負荷分布將會有所不同，所有的軸向負荷均通過頂蓋和固定導葉傳遞給混凝土，由于蝸殼的存在，這部分混凝土是很難加固的。因此，這些力由于獲得了部分平衡而使固定導葉上方的混凝土受力大幅降低， 可以達到減輕混凝土受力的目的。

3.3 縮短軸系

由于推力軸承支架置于頂蓋或支持蓋上，當整個軸系具有兩個導軸承的情況下，可以使發電機不設置下機架，或者軸系具有三個導軸承時，由于下機架不承受軸向載荷，可以最大限度地降低下機架的高度尺寸，從而使整個軸系縮短，同時還可以保持機坑的入口高度，這一變化顯然會減小廠房的高度。如Tucurui一期工程（軸系設2個導軸承），將推力軸承置于頂蓋上的設計使導水機構中心線和發電機中心線間的距離減小28%，減小的高度相當于轉輪直徑的46%，另一個例子是 Ralco電站（推力軸承安裝在下機架上）和Chicoasen電站（推力軸承支架置于頂蓋上）的對比，這兩臺機組具有相同的轉輪直徑、3個導軸承以及非常接近的水頭設計，在這種情況下，推力軸承支架的支撐方式使軸系高度的減小量達到 16%，相當于轉輪直徑的35%[6]，如圖10所示。兩種不同推力支撐方式產生的經濟效益是顯而易見的。

圖10 Chicoasen電站(左)和Ralco電站(右)

3.4 控制頂蓋變形的有利原則

對于低水頭水輪機而言，在機組正常運行工況下，軸向推力負荷與頂蓋、支持蓋及導流錐等部件過流面受到的水壓力形成的合力是非常接近的，采用推力軸承支架支撐方式使軸向負荷抵消后，有利于控制頂蓋、支持蓋的軸向變形。

圖11為某水電站采用推力軸承支架和下機架兩種支持方式下頂蓋、支持蓋的變形情況，表2為兩種支撐方式下頂蓋、支持蓋軸向變形的對比結果。從表 2可以看出，將推力軸承支架置于支持蓋上的支撐方式的軸向變形方向向下，而采用下機架支撐方式的軸向變形方向向上，且頂蓋、支持蓋和導流錐的軸向變形均高于推力軸承支架支撐方式下軸向變形2倍以上。這一對比數據充分說明推力軸承支架置于頂蓋、支持蓋上的設計對支撐結構的軸向變形具有很大影響，并且可以有效減輕固定導葉上方混凝土的受力。從推力軸承支架支撐方式的軸向變形圖可以看出，整個支撐結構的最大軸向變形為-2.47mm，出現在推力軸承支架上，其自身的軸向變形為1.11mm，如果針對推力軸承支架進行提高剛度設計來控制自身變形，便可以在尺寸相對較大的頂蓋、支持蓋結構上進行適當優化來實現大部件的降成本設計。

表2 2種支撐方式頂蓋、支持蓋軸向變形對比結果

圖11 兩種支撐方式下頂蓋、支持蓋的軸向變形

對于采用下機架的推力支撐方式，來自軸向的推力負荷、過流面水壓力分別作用在下機架和頂蓋、支持蓋上，在結構設計時必須同時滿足兩種受力結構的支撐剛度要求，因此，勢必會造成鋼材重量的增加，不符合優化設計原則。

4 結語

水輪發電機組的推力支撐對于機組的運行穩定性具有至關重要的作用。本文從軸向推力負荷和支撐剛度兩方面綜合考慮，論述了采用下機架和推力軸承支架兩種支撐方式的差異。分析表明，對于中低水頭段的混流式、軸流式水電機組而言，選擇推力軸承支架置于頂蓋或支持蓋上的支撐方式，不僅可以對支撐部件進行合理優化，還可以適當降低廠房高度，實現巨大的經濟效益。

[1] 黃源芳, 劉光寧, 樊世英.原型水輪機運行研究[M].北京: 中國電力出版社, 2010.

[2] 趙明生, 梁維燕, 等.葛洲壩水電站水輪發電機組研制概況[M].北京: 機械工業出版社, 1990.

[3] 龐立軍, 鐘蘇.帶圓筒閥的水輪機頂蓋軸向剛度主要影響因素分析[J].大電機技術, 2010,(1)：54-57.

[4] J.A.A.Casagrande, M.Couston, JC.Diana.Operating experience of The Tucurui Francis turbines[C].Water Power and Dam Construction,February 1991.

[5] R.Blanc-Coquand, S.Lavigne，JL.Deniau.Experimental and Numerical Study of Pressure Fluctuations in High Head Pump-Turbine[C].IAHR 2000.

[6] JL.Deniau, F.Freynet, G.Vuillerod.Analyse des sollicitations dynamiques d'une turbinepompe de haute chute[C].SHF，1997.